]> AND Private Git Repository - GMRES2stage.git/blob - IJHPCN/paper.tex
Logo AND Algorithmique Numérique Distribuée

Private GIT Repository
update
[GMRES2stage.git] / IJHPCN / paper.tex
1 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%\r
2 \documentclass{doublecol-new}\r
3 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%\r
4 \r
5 \usepackage{natbib,stfloats}\r
6 \usepackage{mathrsfs}\r
7 \usepackage[utf8]{inputenc}\r
8 \usepackage[T1]{fontenc}\r
9 \usepackage{algorithm}\r
10 \usepackage{algpseudocode}\r
11 \usepackage{amsmath}\r
12 \usepackage{amssymb}\r
13 \usepackage{multirow}\r
14 \usepackage{graphicx}\r
15 \usepackage{url}\r
16 \usepackage{dsfont}\r
17 \r
18 \r
19 \def\newblock{\hskip .11em plus .33em minus .07em}\r
20 \r
21 \theoremstyle{TH}{\r
22 \newtheorem{lemma}{Lemma}\r
23 \newtheorem{theorem}[lemma]{Theorem}\r
24 \newtheorem{corrolary}[lemma]{Corrolary}\r
25 \newtheorem{conjecture}[lemma]{Conjecture}\r
26 \newtheorem{proposition}[lemma]{Proposition}\r
27 \newtheorem{claim}[lemma]{Claim}\r
28 \newtheorem{stheorem}[lemma]{Wrong Theorem}\r
29 %\newtheorem{algorithm}{Algorithm}\r
30 }\r
31 \r
32 \theoremstyle{THrm}{\r
33 \newtheorem{definition}{Definition}[section]\r
34 \newtheorem{question}{Question}[section]\r
35 \newtheorem{remark}{Remark}\r
36 \newtheorem{scheme}{Scheme}\r
37 }\r
38 \r
39 \theoremstyle{THhit}{\r
40 \newtheorem{case}{Case}[section]\r
41 }\r
42 \algnewcommand\algorithmicinput{\textbf{Input:}}\r
43 \algnewcommand\Input{\item[\algorithmicinput]}\r
44 \r
45 \algnewcommand\algorithmicoutput{\textbf{Output:}}\r
46 \algnewcommand\Output{\item[\algorithmicoutput]}\r
47 \r
48 \r
49 \r
50 \r
51 \makeatletter\r
52 \def\theequation{\arabic{equation}}\r
53 \r
54 \JOURNALNAME{\TEN{\it International Journal of High Performance Computing and Networking}}\r
55 %\r
56 %\def\BottomCatch{%\r
57 %\vskip -10pt\r
58 %\thispagestyle{empty}%\r
59 %\begin{table}[b]%\r
60 %\NINE\begin{tabular*}{\textwidth}{@{\extracolsep{\fill}}lcr@{}}%\r
61 %\\[-12pt]\r
62 %Copyright \copyright\ 2012 Inderscience Enterprises Ltd. & &%\r
63 %\end{tabular*}%\r
64 %\vskip -30pt%\r
65 %%%\vskip -35pt%\r
66 %\end{table}%\r
67 %}\r
68 \makeatother\r
69 \r
70 %%%%%%%%%%%%%%%%%\r
71 \begin{document}%\r
72 %%%%%%%%%%%%%%%%%\r
73 \r
74 \setcounter{page}{1}\r
75 \r
76 \LRH{R. Couturier, L. Ziane Khodja and C. Guyeux}\r
77 \r
78 \RRH{TSIRM: A Two-Stage Iteration with least-squares Residual Minimization algorithm}\r
79 \r
80 \VOL{x}\r
81 \r
82 \ISSUE{x}\r
83 \r
84 \PUBYEAR{xxxx}\r
85 \r
86 \BottomCatch\r
87 \r
88 \PUBYEAR{2015}\r
89 \r
90 \subtitle{}\r
91 \r
92 \title{TSIRM: A Two-Stage Iteration with least-squares Residual Minimization algorithm to solve large sparse linear and non linear systems}\r
93 \r
94 %\r
95 \authorA{Rapha\"el Couturier}\r
96 %\r
97 \affA{Femto-ST Institute, University of Bourgogne Franche-Comte, France\\\r
98   E-mail: raphael.couturier@univ-fcomte.fr}\r
99 %\r
100 %\r
101 \authorB{Lilia Ziane Khodja}\r
102 \affB{LTAS-Mécanique numérique non linéaire, University of Liege, Belgium \\\r
103    E-mail: l.zianekhodja@ulg.ac.be}\r
104 \r
105 \authorC{Christophe Guyeux}\r
106 \affC{Femto-ST Institute, University of Bourgogne Franche-Comte, France\\\r
107   E-mail: christophe.guyeux@univ-fcomte.fr}\r
108 \r
109 \r
110 \begin{abstract}\r
111 In  this paper,  a  two-stage iterative  algorithm is  proposed  to improve  the\r
112 convergence  of  Krylov  based  iterative  methods,  typically  those  of  GMRES\r
113 variants.   The principle  of  the proposed  approach is  to  build an  external\r
114 iteration over the  Krylov method, and to frequently store  its current residual\r
115 (at each GMRES restart for instance).  After a given number of outer iterations,\r
116 a least-squares minimization step is applied on the matrix composed by the saved\r
117 residuals, in order to  compute a better solution and to  make new iterations if\r
118 required.  It  is proven that the  proposal has the same  convergence properties\r
119 than the inner  embedded method itself.\r
120 %%NEW\r
121 Several experiments  have been performed\r
122 with  the PETSc  solver  with  linear and  nonlinear  problems.  They show  good\r
123 speedups   compared  to   GMRES  with   up  to   16,394  cores   with  different\r
124 preconditioners.\r
125 %%ENDNEW\r
126 \end{abstract}\r
127 \r
128 \r
129 \r
130 \KEYWORD{Iterative Krylov methods; sparse linear and non linear systems; two stage iteration; least-squares residual minimization; PETSc.}\r
131 \r
132 %\REF{to this paper should be made as follows: Rodr\'{\i}guez\r
133 %Bol\'{\i}var, M.P. and Sen\'{e}s Garc\'{\i}a, B. (xxxx) `The\r
134 %corporate environmental disclosures on the internet: the case of\r
135 %IBEX 35 Spanish companies', {\it International Journal of Metadata,\r
136 %Semantics and Ontologies}, Vol. x, No. x, pp.xxx\textendash xxx.}\r
137 \r
138 \begin{bio}\r
139 Raphaël Couturier ....\r
140 \r
141 \noindent Lilia Ziane Khodja ...\r
142 \r
143 \noindent Christophe Guyeux ...\r
144 \end{bio}\r
145 \r
146 \r
147 \maketitle\r
148 \r
149 \r
150  \section{Introduction}\r
151 \r
152 Iterative methods have recently become more attractive than direct ones to solve\r
153 very large sparse  linear systems~\cite{Saad2003}.  They are more  efficient in a\r
154 parallel context,  supporting thousands of  cores, and they require  less memory\r
155 and  arithmetic operations than  direct methods~\cite{bahicontascoutu}.  This is\r
156 why new iterative methods are frequently proposed or adapted by researchers, and\r
157 the increasing need to solve very  large sparse linear systems has triggered the\r
158 development  of  such  efficient  iterative  techniques  suitable  for  parallel\r
159 processing.\r
160 \r
161 Most  of the  successful  iterative  methods currently  available  are based  on\r
162 so-called ``Krylov  subspaces''. They consist  in forming a basis  of successive\r
163 matrix powers  multiplied by an  initial vector, which  can be for  instance the\r
164 residual. These methods  use vectors orthogonality of the  Krylov subspace basis\r
165 in  order to solve  linear systems.   The best  known iterative  Krylov subspace\r
166 methods are conjugate gradient and GMRES ones (Generalized Minimal RESidual).\r
167 \r
168 \r
169 However,  iterative  methods  suffer   from  scalability  problems  on  parallel\r
170 computing  platforms  with many  processors,  due  to  their need  of  reduction\r
171 operations,   and  to   collective  communications   to   achieve  matrix-vector\r
172 multiplications. The  communications on large  clusters with thousands  of cores\r
173 and large sizes  of messages can significantly affect  the performances of these\r
174 iterative methods. As a consequence, Krylov subspace iteration methods are often\r
175 used  with  preconditioners  in  practice,  to increase  their  convergence  and\r
176 accelerate their  performances.  However, most  of the good  preconditioners are\r
177 not scalable on large clusters.\r
178 \r
179 In  this research work,  a two-stage  algorithm based  on two  nested iterations\r
180 called inner-outer  iterations is proposed.  This algorithm  consists in solving\r
181 the sparse  linear system iteratively with  a small number  of inner iterations,\r
182 and  restarting  the  outer step  with  a  new  solution minimizing  some  error\r
183 functions  over some previous  residuals. For  further information  on two-stage\r
184 iteration      methods,     interested      readers      are     invited      to\r
185 consult~\cite{Nichols:1973:CTS}. Two-stage algorithms are easy to parallelize on\r
186 large clusters.  Furthermore,  the least-squares minimization technique improves\r
187 its convergence and performances.\r
188 \r
189 The present  article is  organized as follows.   Related works are  presented in\r
190 Section~\ref{sec:02}. Section~\ref{sec:03} details the two-stage algorithm using\r
191 a  least-squares  residual   minimization,  while  Section~\ref{sec:04}  provides\r
192 convergence  results  regarding this  method.   Section~\ref{sec:05} shows  some\r
193 experimental  results  obtained  on  large  clusters  using  routines  of  PETSc\r
194 toolkit. This research work ends by  a conclusion section, in which the proposal\r
195 is summarized while intended perspectives are provided.\r
196 \r
197 \r
198 \r
199 %%%*********************************************************\r
200 %%%*********************************************************\r
201 \r
202 \r
203 \r
204 %%%*********************************************************\r
205 %%%*********************************************************\r
206 \section{Related works}\r
207 \label{sec:02} \r
208 Krylov subspace iteration methods have increasingly become key\r
209 techniques  for  solving  linear and nonlinear systems,  or  eigenvalue  problems,\r
210 especially      since       the      increasing      development       of      \r
211 preconditioners~\cite{Saad2003,Meijerink77}.  One reason  for  the popularity  of\r
212 these methods is their generality, simplicity, and efficiency to solve systems of\r
213 equations arising from very large and complex problems.\r
214 \r
215 GMRES is one of the most  widely used Krylov iterative method for solving sparse\r
216 and   large  linear   systems.  It   has   been  developed   by  Saad   \emph{et\r
217   al.}~\cite{Saad86}  as  a generalized  method  to  deal  with unsymmetric  and\r
218 non-Hermitian problems,  and indefinite symmetric problems too.  In its original\r
219 version  called full  GMRES,  this  algorithm minimizes  the  residual over  the\r
220 current Krylov subspace  until convergence in at most  $n$ iterations, where $n$\r
221 is the size  of the sparse matrix.   Full GMRES is however too  expensive in the\r
222 case  of  large  matrices,  since  the required  orthogonalization  process  per\r
223 iteration grows  quadratically with the  number of iterations. For  that reason,\r
224 GMRES is  restarted in  practice after  each $m\ll n$  iterations, to  avoid the\r
225 storage of a  large orthonormal basis. However, the  convergence behavior of the\r
226 restarted GMRES,  called GMRES($m$), in  many cases depends quite  critically on\r
227 the  $m$  value~\cite{Huang89}.  Therefore  in  most  cases,  a  preconditioning\r
228 technique  is applied  to the  restarted GMRES  method in  order to  improve its\r
229 convergence.\r
230 \r
231 To enhance the robustness of Krylov iterative solvers, some techniques have been\r
232 proposed allowing the use of different preconditioners, if necessary, within the\r
233 iteration  itself   instead  of  restarting.   Those  techniques   may  lead  to\r
234 considerable  savings  in  CPU  time  and memory  requirements.  Van  der  Vorst\r
235 in~\cite{Vorst94} has for  instance proposed variants of the  GMRES algorithm in\r
236 which a  different preconditioner is applied  in each iteration,  leading to the\r
237 so-called  GMRESR  family of  nested  methods.  In  fact,  the  GMRES method  is\r
238 effectively preconditioned with other iterative schemes (or GMRES itself), where\r
239 the  iterations  of the  GMRES  method are  called  outer  iterations while  the\r
240 iterations of  the preconditioning process  is referred to as  inner iterations.\r
241 Saad in~\cite{Saad:1993}  has proposed Flexible GMRES (FGMRES)  which is another\r
242 variant of the  GMRES algorithm using a variable  preconditioner.  In FGMRES the\r
243 search  directions  are  preconditioned  whereas  in GMRESR  the  residuals  are\r
244 preconditioned. However,  in practice, good  preconditioners are those  based on\r
245 direct methods,  as ILU preconditioners, which  are not easy  to parallelize and\r
246 suffer from the scalability problems on large clusters of thousands of cores.\r
247 \r
248 Recently,  communication-avoiding  methods have  been  developed  to reduce  the\r
249 communication overheads in Krylov subspace iterative solvers. On modern computer\r
250 architectures,   communications  between   processors  are   much   slower  than\r
251 floating-point        arithmetic       operations        on        a       given\r
252 processor.   Communication-avoiding  techniques  reduce   either  communications\r
253 between processors or data movements  between levels of the memory hierarchy, by\r
254 reformulating the communication-bound kernels (more frequently SpMV kernels) and\r
255 the orthogonalization  operations within the Krylov  iterative solver. Different\r
256 works have  studied the communication-avoiding techniques for  the GMRES method,\r
257 so-called     CA-GMRES,     on     multicore    processors     and     multi-GPU\r
258 machines~\cite{Mohiyuddin2009,Hoemmen2010,Yamazaki2014}.\r
259 \r
260 Compared  to all these  works and  to all  the other  works on  Krylov iterative\r
261 methods,  the originality of  our work  is to  build a  second iteration  over a\r
262 Krylov  iterative method  and to  minimize  the residuals  with a  least-squares\r
263 method after a given number of outer iterations.\r
264 \r
265 %%%*********************************************************\r
266 %%%*********************************************************\r
267 \r
268 \r
269 \r
270 %%%*********************************************************\r
271 %%%*********************************************************\r
272 \section{TSIRM: Two-stage iteration with least-squares residuals minimization algorithm}\r
273 \label{sec:03}\r
274 A two-stage  algorithm is proposed to  solve large sparse linear  systems of the\r
275 form  $Ax=b$,  where  $A\in\mathbb{R}^{n\times   n}$  is  a  sparse  and  square\r
276 nonsingular   matrix,   $x\in\mathbb{R}^n$   is   the   solution   vector,   and\r
277 $b\in\mathbb{R}^n$  is  the  right-hand  side.   As  explained  previously,  the\r
278 algorithm is implemented  as an inner-outer iteration solver  based on iterative\r
279 Krylov  methods.  The  main key-points  of  the  proposed  solver are  given  in\r
280 Algorithm~\ref{algo:01}.  It can be summarized as follows: the inner solver is a\r
281 Krylov  based one.  In order  to accelerate  its convergence,  the  outer solver\r
282 periodically applies  a least-squares minimization on the  residuals computed by\r
283 the inner one.\r
284 \r
285 At each  outer iteration,  the sparse linear  system $Ax=b$ is  partially solved\r
286 using only $m$ iterations of  an iterative method, this latter being initialized\r
287 with the last obtained approximation.  The GMRES method~\cite{Saad86}, or any of\r
288 its variants, can potentially be used as inner solver. The current approximation\r
289 of the Krylov method  is then stored inside a $n \times  s$ matrix $S$, which is\r
290 composed by  the $s$  last solutions  that have been  computed during  the inner\r
291 iterations phase.   In the remainder,  the $i$-th column  vector of $S$  will be\r
292 denoted by $S_i$.\r
293 \r
294 At each $s$ iterations, another kind of minimization step is applied in order to\r
295 compute  a new  solution $x$.  For that,  the previous  residuals of  $Ax=b$ are\r
296 computed  by  the  inner  iterations  with $(b-AS)$.  The  minimization  of  the\r
297 residuals is obtained by\r
298 \begin{equation}\r
299    \underset{\alpha\in\mathbb{R}^{s}}{min}\|b-R\alpha\|_2\r
300 \label{eq:01}\r
301 \end{equation}\r
302 with $R=AS$. The new solution $x$ is then computed with $x=S\alpha$.\r
303 \r
304 \r
305 In practice, $R$ is a dense rectangular matrix belonging in $\mathbb{R}^{n\times\r
306   s}$,  with $s\ll  n$.   In order  to  minimize~\eqref{eq:01}, a  least-squares\r
307 method such  as CGLS ~\cite{Hestenes52}  or LSQR~\cite{Paige82} is  used. Remark\r
308 that  these methods  are  more appropriate  than  a single  direct  method in  a\r
309 parallel context. CGLS has recently been used to improve the performance of multisplitting algorithms \cite{cz15:ij}.\r
310 \r
311 \r
312 \r
313 \begin{algorithm}[t]\r
314 \caption{TSIRM}\r
315 \begin{algorithmic}[1]\r
316   \Input $A$ (sparse matrix), $b$ (right-hand side)\r
317   \Output $x$ (solution vector)\vspace{0.2cm}\r
318   \State Set the initial guess $x_0$\r
319   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence ($error<\epsilon_{tsirm}$)} \label{algo:conv}\r
320     \State  $[x_k,error]=Solve(A,b,x_{k-1},max\_iter_{kryl})$   \label{algo:solve}\r
321     \State $S_{k \mod s}=x_k$ \label{algo:store} \Comment{update column ($k \mod s$) of $S$}\r
322     \If {$k \mod s=0$ {\bf and} $error>\epsilon_{kryl}$}\r
323       \State $R=AS$ \Comment{compute dense matrix} \label{algo:matrix_mul}\r
324             \State $\alpha=Least\_Squares(R,b,max\_iter_{ls})$ \label{algo:}\r
325       \State $x_k=S\alpha$  \Comment{compute new solution}\r
326     \EndIf\r
327   \EndFor\r
328 \end{algorithmic}\r
329 \label{algo:01}\r
330 \end{algorithm}\r
331 \r
332 Algorithm~\ref{algo:01} summarizes  the principle  of the proposed  method.  The\r
333 outer iteration is inside the \emph{for} loop. Line~\ref{algo:solve}, the Krylov\r
334 method is called  for a maximum of $max\_iter_{kryl}$  iterations.  In practice,\r
335 we suggest to  set this parameter equal to the restart  number in the GMRES-like\r
336 method. Moreover,  a tolerance  threshold must be  specified for the  solver. In\r
337 practice, this threshold must be  much smaller than the convergence threshold of\r
338 the TSIRM  algorithm (\emph{i.e.},  $\epsilon_{tsirm}$).  We also  consider that\r
339 after  the call of  the $Solve$  function, we  obtain the  vector $x_k$  and the\r
340 $error$, which is defined by $||Ax_k-b||_2$.\r
341 \r
342   Line~\ref{algo:store},  $S_{k \mod  s}=x_k$ consists  in copying  the solution\r
343   $x_k$ into the  column $k \mod s$ of $S$.  After  the minimization, the matrix\r
344   $S$ is reused with the new values of the residuals.  To solve the minimization\r
345   problem, an  iterative method is used.  Two parameters are  required for that:\r
346   the maximum number of iterations  ($max\_iter_{ls}$) and the threshold to stop\r
347   the method ($\epsilon_{ls}$).\r
348 \r
349 Let us summarize the most important parameters of TSIRM:\r
350 \begin{itemize}\r
351 \item $\epsilon_{tsirm}$: the threshold that stops the TSIRM method;\r
352 \item $max\_iter_{kryl}$: the maximum number of iterations for the Krylov method;\r
353 \item $s$: the number of outer iterations before applying the minimization step;\r
354 \item $max\_iter_{ls}$: the maximum number of iterations for the iterative least-squares method;\r
355 \item $\epsilon_{ls}$: the threshold used to stop the least-squares method.\r
356 \end{itemize}\r
357 \r
358 \r
359 The  parallelization  of  TSIRM  relies   on  the  parallelization  of  all  its\r
360 parts. More  precisely, except the least-squares  step, all the  other parts are\r
361 obvious to  achieve out in parallel. In  order to develop a  parallel version of\r
362 our   code,   we   have   chosen   to   use   PETSc~\cite{petsc-web-page}.    In\r
363 line~\ref{algo:matrix_mul}, the matrix-matrix  multiplication is implemented and\r
364 efficient since the matrix $A$ is sparse and the matrix $S$ contains few columns\r
365 in  practice.  As  explained  previously,  at  least  two  methods  seem  to  be\r
366 interesting  to solve  the least-squares  minimization,  the CGLS  and the  LSQR\r
367 methods.\r
368 \r
369 %% In Algorithm~\ref{algo:02} we remind the CGLS algorithm. The LSQR method follows\r
370 %% more or less the  same principle but it takes more place,  so we briefly explain\r
371 %% the parallelization of CGLS which is  similar to LSQR.\r
372 \r
373 %% \begin{algorithm}[t]\r
374 %% \caption{CGLS}\r
375 %% \begin{algorithmic}[1]\r
376 %%   \Input $A$ (matrix), $b$ (right-hand side)\r
377 %%   \Output $x$ (solution vector)\vspace{0.2cm}\r
378 %%   \State Let $x_0$ be an initial approximation\r
379 %%   \State $r_0=b-Ax_0$\r
380 %%   \State $p_1=A^Tr_0$\r
381 %%   \State $s_0=p_1$\r
382 %%   \State $\gamma=||s_0||^2_2$\r
383 %%   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence ($\gamma<\epsilon_{ls}$)} \label{algo2:conv}\r
384 %%     \State $q_k=Ap_k$\r
385 %%     \State $\alpha_k=\gamma/||q_k||^2_2$\r
386 %%     \State $x_k=x_{k-1}+\alpha_kp_k$\r
387 %%     \State $r_k=r_{k-1}-\alpha_kq_k$\r
388 %%     \State $s_k=A^Tr_k$\r
389 %%     \State $\gamma_{old}=\gamma$\r
390 %%     \State $\gamma=||s_k||^2_2$\r
391 %%     \State $\beta_k=\gamma/\gamma_{old}$\r
392 %%     \State $p_{k+1}=s_k+\beta_kp_k$\r
393 %%   \EndFor\r
394 %% \end{algorithmic}\r
395 %% \label{algo:02}\r
396 %% \end{algorithm}\r
397 \r
398 %%NEW\r
399 \r
400 The PETSc code we have develop is avaiable here: {\bf a mettre} and it will soon\r
401 be integrated with  the PETSc sources. TSIRM has been  implemented as any solver\r
402 for linear systems in PETSc. As it  requires to use another solver, we have used\r
403 a very interesting  feature of PETSc that  enables to use a  preconditioner as a\r
404 linear system  with the  function {\it  PCKSPGetKSP}.  As  the LSQR  function is\r
405 already implemented in PETSc, we have used  it. CGLS was not implemented yet, so\r
406 we have  implemented it and  we plan  to define it  as a minimization  solver in\r
407 PETSc similarly to LSQR. Both CGLS and LSQR are not complex from the computation\r
408 point of  view. They involves  matrix-vector multiplications and  some classical\r
409 operations:  dot product,  norm,  multiplication, and  addition  on vectors.  As\r
410 presented in Section~\ref{sec:05} the minimization step is scalable.\r
411 \r
412 \r
413 %%%*********************************************************\r
414 %%%*********************************************************\r
415 \r
416 \section{Convergence results}\r
417 \label{sec:04}\r
418 \r
419 \r
420 We suppose in this section that GMRES($m$) is used as solver in the TSIRM algorithm applied on a complex matrix $A$.\r
421 Let us denote $A^\ast$ the conjugate transpose of $A$, and let $\mathfrak{R}(A)=\dfrac{1}{2} \left( A + A^\ast\right)$, $\mathfrak{I}(A)=\dfrac{1}{2i} \left( A - A^\ast\right)$. \r
422 \r
423 \subsection{$\mathfrak{R}(A)$ is positive}\r
424 \r
425 \begin{proposition}\r
426 \label{positiveConvergent}\r
427 If $\mathfrak{R}(A)$ is positive, then the TSIRM algorithm is convergent.\r
428 \end{proposition}\r
429 \r
430 \r
431 \begin{proof}\r
432 If $\mathfrak{R}(A)$ is positive, then even if $A$ is complex, it is possible to state that \r
433 the GMRES algorithm is convergent, see, \emph{e.g.},~\cite{Huang89}. In particular, its residual norm\r
434 decreases to zero.\r
435 \r
436 At each iterate of the TSIRM algorithm, either a GMRES iteration is realized or a least square\r
437 resolution (to find the minimum of $||b-Ax||_2$ is achieved on the linear span of the iterated approximation vectors \r
438 $span\left(x_{k-s+1}, x_{k-s}+2, \hdots, x_{k} \right)$\r
439 of the last GMRES stage,\r
440 where\r
441 $\operatorname{span}(S) = \left \{ {\sum_{i=1}^k \lambda_i v_i \Big| k \in \mathbb{N}, v_i \in S, \lambda _i \in \mathbb{R}} \right \}$.\r
442 \r
443 Obviously, the minimum of $||b-Ax||_2$ on the set $span\left(x_{k-s+1}, x_{k-s}+2, \hdots, x_{k} \right)$ \r
444 is lower than or equal to $||b-Ax_k||_2$, which is the last obtained GMRES-residual norm. So we can\r
445 conclude that the intermediate stage of least square resolution inserted into the GMRES algorithm\r
446 does not break the decreasing to zero of the GMRES-residual norm. \r
447 \r
448 In other words, the TSIRM algorithm is convergent.\r
449 \end{proof}\r
450 \r
451 \r
452 Regarding the convergence speed, we can claim that,\r
453 \begin{proposition}\r
454 \label{prop:saad}\r
455 If $A$ is a positive matrix, then the convergence of the \r
456 TSIRM algorithm is linear. \r
457 \r
458 Furthermore, let $r_k$ be the $k$-th residue of TSIRM, then\r
459 we have the following boundaries:\r
460 \begin{equation}\r
461 ||r_k|| \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{km}{2}} ||r_0|| ,\r
462 \end{equation}\r
463 where $M$ is the symmetric part of $A$, $\alpha = \lambda_{min}(M)^2$ and $\beta = \lambda_{max}(A^T A)$.\r
464 \end{proposition}\r
465 \r
466 \begin{proof}\r
467 Let us first recall that, when $A$ is a positive real matrix with symmetric part $M$, then the residual norm provided at the $m$-th step of GMRES satisfies:\r
468 \begin{equation*}\r
469 ||r_m|| \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{m}{2}} ||r_0|| ,\r
470 \end{equation*}\r
471 where $\alpha$ and $\beta$ are defined as in Proposition~\ref{prop:saad}.\r
472 These well-known results can be found, \emph{e.g.}, in~\cite{Saad86}.\r
473 \r
474 We will now prove by a mathematical induction that, for each $k \in \mathbb{N}^\ast$, \r
475 $||r_k|| \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{mk}{2}} ||r_0||$ when $A$ is positive.\r
476 \r
477 The base case is obvious, as for $k=1$, the TSIRM algorithm simply consists in applying GMRES($m$) once, leading to a new residual $r_1$ that follows the inductive hypothesis due to the results recalled above.\r
478 \r
479 Suppose now that the claim holds for all $m=1, 2, \hdots, k-1$, that is, $\forall m \in \{1,2,\hdots, k-1\}$, $||r_m|| \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{km}{2}} ||r_0||$.\r
480 We will show that the statement holds too for $r_k$. Two situations can occur:\r
481 \begin{itemize}\r
482 \item If $k \not\equiv 0 ~(\textrm{mod}\ m)$, then the TSIRM algorithm consists in executing GMRES once. In that case and by using the inductive hypothesis, we obtain either $||r_k|| \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{m}{2}} ||r_{k-1}||\leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{km}{2}} ||r_0||$.\r
483 \item Else, the TSIRM algorithm consists in two stages: a first GMRES($m$) execution leads to a temporary $x_k$ whose residue satisfies:\r
484 $$||r_k|| \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{m}{2}} ||r_{k-1}||\leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{km}{2}} ||r_0||$$\r
485 and a least squares resolution.\r
486 Let $\operatorname{span}(S) = \left \{ {\sum_{i=1}^k \lambda_i v_i \Big| k \in \mathbb{N}, v_i \in S, \lambda _i \in \mathbb{R}} \right \}$ be the linear span of a set of real vectors $S$. So,\\\r
487 $\min_{\alpha \in \mathbb{R}^s} ||b-R\alpha ||_2 = \min_{\alpha \in \mathbb{R}^s} ||b-AS\alpha ||_2$\r
488 \r
489 $\begin{array}{ll}\r
490 & = \min_{x \in span\left(S_{k-s+1}, S_{k-s+2}, \hdots, S_{k} \right)} ||b-AS\alpha ||_2\\\r
491 & = \min_{x \in span\left(x_{k-s+1}, x_{k-s}+2, \hdots, x_{k} \right)} ||b-AS\alpha ||_2\\\r
492 & \leqslant \min_{x \in span\left( x_{k} \right)} ||b-Ax ||_2\\\r
493 & \leqslant \min_{\lambda \in \mathbb{R}} ||b-\lambda Ax_{k} ||_2\\\r
494 & \leqslant ||b-Ax_{k}||_2\\\r
495 & = ||r_k||_2\\\r
496 & \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{km}{2}} ||r_0||, \\\r
497 \end{array}$\r
498 \end{itemize}\r
499 which concludes the induction and the proof.\r
500 \end{proof}\r
501 \r
502 \r
503 \r
504 \subsection{$\mathfrak{R}(A)$ is positive definite}\r
505 \r
506 \begin{proposition}\r
507 \label{prop2}\r
508 Convergence of the TSIRM algorithm is at least linear when $\mathfrak{R}(A)$ is \r
509 positive definite. Furthermore, the rate of convergence is lower \r
510 than $$\min\left( \left(1- \dfrac{{\lambda_{min}^{\mathfrak{R}(A)}}^2}{ \lambda_{min}^{\mathfrak{R}(A)} \lambda_{max}^{\mathfrak{R}(A)} + {\lambda_{max}^{\mathfrak{I}(A)}}^2}\right)^{\frac{m}{2}}; \r
511 \left(1-\dfrac{{\lambda_{min}^{\mathfrak{R}(A)}}^2}{||A||^2}\right)^{\frac{m}{2}}\right) ,$$\r
512 where ${\lambda_{min}^{X}}$ (resp. ${\lambda_{max}^{X}}$) is the lowest (resp. largest) eigenvalue of matrix $X$.\r
513 \end{proposition}\r
514 \r
515 \r
516 \begin{proof}\r
517 If $\mathfrak{R}(A)$ is positive definite, then it is positive, and so the TSIRM algorithm\r
518 is convergent due to Proposition~\ref{positiveConvergent}.\r
519 \r
520 Furthermore, as stated in the proof of Proposition~\ref{positiveConvergent}, the GMRES residue is under control \r
521 when $\mathfrak{R}(A)$ is positive. More precisely, it has been proven in the literature that the residual norm \r
522 provided at the $m$-th step of GMRES satisfies:\r
523 \begin{enumerate}\r
524 \item $||r_m|| \leqslant \left(1- \dfrac{{\lambda_{min}^{\mathfrak{R}(A)}}^2}{ \lambda_{min}^{\mathfrak{R}(A)} \lambda_{max}^{\mathfrak{R}(A)} + {\lambda_{max}^{\mathfrak{I}(A)}}^2}\right)^{\frac{mk}{2}} ||r_0||$, see, \emph{e.g.},~\cite{citeulike:2951999}, \r
525 \item $||r_m|| \leqslant \left(1-\dfrac{{\lambda_{min}^{\mathfrak{R}(A)}}^2}{||A||^2}\right)^{\frac{mk}{2}} ||r_0||$, see~\cite{ANU:137201},\r
526 \end{enumerate}\r
527 which proves the convergence of GMRES($m$) for all $m$ under such assumptions regarding $A$.\r
528 \r
529 We will now prove by a mathematical induction, and following the same canvas than in the proof of Prop.~\ref{positiveConvergent}, that: for each $k \in \mathbb{N}^\ast$, the TSIRM-residual norm satisfies\r
530 \begin{equation}\r
531 \label{induc}\r
532 \begin{array}{ll}\r
533 ||r_k|| \leqslant & \min\left( \left(1- \dfrac{{\lambda_{min}^{\mathfrak{R}(A)}}^2}{ \lambda_{min}^{\mathfrak{R}(A)} \lambda_{max}^{\mathfrak{R}(A)} + {\lambda_{max}^{\mathfrak{I}(A)}}^2}\right)^{\frac{m}{2}}; \right. \\\r
534 & \left. \left(1-\dfrac{{\lambda_{min}^{\mathfrak{R}(A)}}^2}{||A||^2}\right)^{\frac{m}{2}}\right) ||r_0||\r
535 \end{array}\r
536 \end{equation}\r
537 when $A$ is positive definite.\r
538 \r
539 \r
540 The base case is obvious, as for $k=1$, the TSIRM algorithm simply consists in applying GMRES($m$) once, leading to a new residual $r_1$ that follows the inductive hypothesis due to the results recalled in the items listed above.\r
541 \r
542 Suppose now that the claim holds for all $u=1, 2, \hdots, k-1$, that is, $\forall u \in \{1,2,\hdots, k-1\}$, $||r_u|| \leqslant  \left(1-\dfrac{{\lambda_{min}^{\mathfrak{R}(A)}}^2}{||A||^2}\right)^{\frac{mu}{2}} ||r_0||$.\r
543 We will show that the statement holds too for $r_k$. Two situations can occur:\r
544 \begin{itemize}\r
545 \item If $k \not\equiv 0 ~(\textrm{mod}\ m)$, then the TSIRM algorithm consists in executing GMRES once. In that case and by using the inductive hypothesis, we obtain \r
546 $||r_k|| \leqslant \left(1- \dfrac{{\lambda_{min}^{\mathfrak{R}(A)}}^2}{ \lambda_{min}^{\mathfrak{R}(A)} \lambda_{max}^{\mathfrak{R}(A)} + {\lambda_{max}^{\mathfrak{I}(A)}}^2}\right)^{\frac{m}{2}} \leqslant \left(1- \dfrac{{\lambda_{min}^{\mathfrak{R}(A)}}^2}{ \lambda_{min}^{\mathfrak{R}(A)} \lambda_{max}^{\mathfrak{R}(A)} + {\lambda_{max}^{\mathfrak{I}(A)}}^2}\right)^{\frac{mk}{2}} ||r_0||$, due to~\cite{citeulike:2951999}. Furthermore, we have too that: $||r_k|| \leqslant \left(1-\dfrac{{\lambda_{min}^{\mathfrak{R}(A)}}^2}{||A||^2}\right)^{\frac{m}{2}} ||r_{k-1}|| \leqslant \left(1-\dfrac{{\lambda_{min}^{\mathfrak{R}(A)}}^2}{||A||^2}\right)^{\frac{mk}{2}} ||r_0||$, as proven in~\cite{ANU:137201} and by using the inductive hypothesis. So we can conclude that \r
547 $$\begin{array}{ll}||r_k|| \leqslant & \min\left( \left(1- \dfrac{{\lambda_{min}^{\mathfrak{R}(A)}}^2}{ \lambda_{min}^{\mathfrak{R}(A)} \lambda_{max}^{\mathfrak{R}(A)} + {\lambda_{max}^{\mathfrak{I}(A)}}^2}\right)^{\frac{mk}{2}}; \right. \\\r
548 & \left. \left(1-\dfrac{{\lambda_{min}^{\mathfrak{R}(A)}}^2}{||A||^2}\right)^{\frac{mk}{2}}\right) \times ||r_0|| \r
549 \end{array}.$$\r
550 \r
551 \item Else, the TSIRM algorithm consists in two stages: a first GMRES($m$) execution leads to a temporary $x_k$ whose residue satisfies, following the previous item:\r
552 $$\begin{array}{ll}\r
553 ||r_k|| & \leqslant  \min\left( \left(1- \dfrac{{\lambda_{min}^{\mathfrak{R}(A)}}^2}{ \lambda_{min}^{\mathfrak{R}(A)} \lambda_{max}^{\mathfrak{R}(A)} + {\lambda_{max}^{\mathfrak{I}(A)}}^2}\right)^{\frac{m}{2}}; \right. \\\r
554 & \left. \left(1-\dfrac{{\lambda_{min}^{\mathfrak{R}(A)}}^2}{||A||^2}\right)^{\frac{m}{2}}\right) \times ||r_{k-1}||\\\r
555  & \leqslant  \min\left( \left(1- \dfrac{{\lambda_{min}^{\mathfrak{R}(A)}}^2}{ \lambda_{min}^{\mathfrak{R}(A)} \lambda_{max}^{\mathfrak{R}(A)} + {\lambda_{max}^{\mathfrak{I}(A)}}^2}\right)^{\frac{mk}{2}}; \right. \\\r
556 & \left. \left(1-\dfrac{{\lambda_{min}^{\mathfrak{R}(A)}}^2}{||A||^2}\right)^{\frac{mk}{2}}\right) \times ||r_0|| \r
557 \end{array}$$\r
558 and the least squares resolution of $\min_{\alpha \in \mathbb{R}^s} ||b-R\alpha ||_2$.\r
559 \r
560 Let $\operatorname{span}(S) = \left \{ {\sum_{i=1}^k \lambda_i v_i \Big| k \in \mathbb{N}, v_i \in S, \lambda _i \in \mathbb{R}} \right \}$ be the linear span of a set of real vectors $S$, as defined previously. So,\\\r
561 $\min_{\alpha \in \mathbb{R}^s} ||b-R\alpha ||_2  = \min_{\alpha \in \mathbb{R}^s} ||b-AS\alpha ||_2$\r
562 \r
563 $\begin{array}{ll}\r
564 & = \min_{x \in span\left(S_{k-s+1}, S_{k-s+2}, \hdots, S_{k} \right)} ||b-AS\alpha ||_2\\\r
565 & = \min_{x \in span\left(x_{k-s+1}, x_{k-s}+2, \hdots, x_{k} \right)} ||b-AS\alpha ||_2\\\r
566 & \leqslant \min_{x \in span\left( x_{k} \right)} ||b-Ax ||_2\\\r
567 & \leqslant \min_{\lambda \in \mathbb{R}} ||b-\lambda Ax_{k} ||_2\\\r
568 & \leqslant ||b-Ax_{k}||_2\\\r
569 & = ||r_k||_2\\\r
570 & \leqslant \min\left( \left(1- \dfrac{{\lambda_{min}^{\mathfrak{R}(A)}}^2}{ \lambda_{min}^{\mathfrak{R}(A)} \lambda_{max}^{\mathfrak{R}(A)} + {\lambda_{max}^{\mathfrak{I}(A)}}^2}\right)^{\frac{mk}{2}}; \right. \\\r
571 & \left. \left(1-\dfrac{{\lambda_{min}^{\mathfrak{R}(A)}}^2}{||A||^2}\right)^{\frac{mk}{2}}\right) \times ||r_0|| \r
572 \end{array} .$\r
573 \end{itemize}\r
574 due to the inductive hypothesis. \r
575 So the statement of Equation~\eqref{induc} holds too for the $k$-th iterate, which concludes the induction and the proof.\r
576 \end{proof}\r
577 \r
578 \subsection{A last linear convergence}\r
579 \r
580 \r
581 \begin{proposition}\r
582 Let us define the field of values of $A$ by \r
583 $$\mathfrak{F}(A) = \left\{ \dfrac{x^\ast A x}{x^\ast x}, x \in \mathds{C}^n\setminus \{0\} \right\} .$$\r
584 \r
585 Then if $\mathfrak{F}(A)$ is included into a closed ball of radius $r$ and center $c$,\r
586 which does not contain the origin, then the convergence of the TSIRM algorithm is at least linear. \r
587 \r
588 More precisely, the rate of convergence is lower \r
589 than $2 \dfrac{r}{|c|}$.\r
590 \end{proposition}\r
591 \r
592 \begin{proof}\r
593 This inequality comes from the fact that, in the conditions of the proposition, the GMRES residue \r
594 satisfies the inequality: $|r_k| \leqslant 2 \dfrac{r}{|c|}^k |r_0|$. An induction inspired by\r
595 the proofs of Propositions~\ref{prop:saad} and~\ref{prop2} can transfer this inequality to the\r
596 TSIRM residue.\r
597 \end{proof}\r
598 \r
599 \r
600 \r
601 Remark that a similar proposition can be formulated at each time\r
602 the given solver satisfies an inequality of the form $||r_n|| \leqslant \mu^n ||r_0||$,\r
603 with $|\mu|<1$. Furthermore, it is \emph{a priori} possible in some particular cases \r
604 regarding $A$, \r
605 that the proposed TSIRM converges while the GMRES($m$) does not.\r
606 \r
607 \r
608 %%%*********************************************************\r
609 %%%*********************************************************\r
610 \section{Experiments using PETSc}\r
611 \label{sec:05}\r
612 \r
613 In  this section  four kinds  of experiments  have been  performed. First,  some\r
614 experiments on  real matrices issued  from the  sparse matrix florida  have been\r
615 achieved out. Second, some experiments in parallel with some linear problems are\r
616 reported and analyzed.  Third, some experiments in parallèle  with som nonlinear\r
617 problems are illustrated. Finally some parameters  of TSIRM are studied in order\r
618 to understand their influences.\r
619 \r
620 \r
621 \subsection{Real matrices}\r
622 %%ENDNEW\r
623 \r
624 \r
625 In order to see the behavior of our approach when considering only one processor,\r
626 a  first  comparison  with  GMRES  or  FGMRES and  the  new  algorithm  detailed\r
627 previously  has been  experimented.  Matrices  that  have been  used with  their\r
628 characteristics (names, fields, rows,  and nonzero coefficients) are detailed in\r
629 Table~\ref{tab:01}.  These  latter, which are  real-world applications matrices,\r
630 have    been   extracted    from   the    Davis   collection,    University   of\r
631 Florida~\cite{Dav97}.\r
632 \r
633 \begin{table*}[htbp]\r
634 \begin{center}\r
635 \begin{tabular}{|c|c|r|r|r|} \r
636 \hline\r
637 Matrix name              & Field             &\# Rows   & \# Nonzeros   \\\hline \hline\r
638 crashbasis         & Optimization      & 160,000  &  1,750,416  \\\r
639 parabolic\_fem     & Comput. fluid dynamics  & 525,825 & 2,100,225 \\\r
640 epb3               & Thermal problem   & 84,617  & 463,625  \\\r
641 atmosmodj          & Comput. fluid dynamics  & 1,270,432 & 8,814,880 \\\r
642 bfwa398            & Electromagnetics pb & 398 & 3,678 \\\r
643 torso3             & 2D/3D problem & 259,156 & 4,429,042 \\\r
644 \hline\r
645 \r
646 \end{tabular}\r
647 \caption{Main characteristics of the sparse matrices chosen from the Davis collection}\r
648 \label{tab:01}\r
649 \end{center}\r
650 \end{table*}\r
651 Chosen parameters  are detailed below.   \r
652 We have  stopped  the  GMRES every  30\r
653 iterations (\emph{i.e.}, $max\_iter_{kryl}=30$), which is the default \r
654 setting of GMRES restart parameter.  The parameter $s$ has been set to 8. CGLS \r
655  minimizes  the   least-squares  problem   with  parameters\r
656 $\epsilon_{ls}=1e-40$ and $max\_iter_{ls}=20$.  The external precision is set to\r
657 $\epsilon_{tsirm}=1e-10$.  These  experiments have been performed  on an Intel(R)\r
658 Core(TM) i7-3630QM CPU @ 2.40GHz with the 3.5.1 version  of PETSc.\r
659 \r
660 \r
661 Experiments comparing \r
662 a GMRES variant with TSIRM in the resolution of linear systems are given in  Table~\ref{tab:02}. \r
663 The  second column describes whether GMRES or FGMRES has been used for linear systems solving.  \r
664 Different preconditioners  have been used according to the matrices.  With  TSIRM, the  same\r
665 solver and the  same preconditioner are used.  This table  shows that TSIRM can\r
666 drastically reduce  the number of iterations needed to reach the  convergence, when the\r
667 number of iterations for  the normal GMRES is more or less  greater than 500. In\r
668 fact this also depends on two parameters: the number of iterations before stopping GMRES\r
669 and the number of iterations to perform the minimization.\r
670 \r
671 \r
672 \begin{table*}[htbp]\r
673 \begin{center}\r
674 \begin{tabular}{|c|c|r|r|r|r|} \r
675 \hline\r
676 \r
677  \multirow{2}{*}{Matrix name}  & Solver /   & \multicolumn{2}{c|}{GMRES} & \multicolumn{2}{c|}{TSIRM CGLS} \\ \r
678 \cline{3-6}\r
679        &  precond             & Time  & \# Iter.  & Time  & \# Iter.  \\\hline \hline\r
680 \r
681 crashbasis         & gmres / none             &  15.65     & 518  &  14.12 & 450  \\\r
682 parabolic\_fem     & gmres / ilu           & 1009.94   & 7573 & 401.52 & 2970 \\\r
683 epb3               & fgmres / sor             &  8.67     & 600  &  8.21 & 540  \\\r
684 atmosmodj          &  fgmres / sor & 104.23  & 451 & 88.97 & 366  \\\r
685 bfwa398            & gmres / none  & 1.42 & 9612 & 0.28 & 1650 \\\r
686 torso3             & fgmres / sor  & 37.70 & 565 & 34.97 & 510 \\\r
687 \hline\r
688 \r
689 \end{tabular}\r
690 \caption{Comparison between sequential standalone (F)GMRES and TSIRM with (F)GMRES (time in seconds).}\r
691 \label{tab:02}\r
692 \end{center}\r
693 \end{table*}\r
694 \r
695 \r
696 %%NEW\r
697 \subsection{Parallel linear problems}\r
698 %%ENDNEW\r
699 \r
700 In order to perform larger experiments, we have tested some example applications\r
701 of  PETSc. These  applications are  available in  the \emph{ksp}  part,  which is\r
702 suited for scalable linear equations solvers:\r
703 \begin{itemize}\r
704 \item ex15  is an example  that solves in  parallel an operator using  a finite\r
705   difference  scheme.   The  diagonal  is  equal to  4  and  4  extra-diagonals\r
706   representing the neighbors in each directions  are equal to -1. This example is\r
707   used  in many  physical phenomena, for  example, heat  and fluid  flow, wave\r
708   propagation, etc.\r
709 \item ex54 is another example based on a 2D problem discretized with quadrilateral\r
710   finite elements. In this example, the user can define the scaling of material\r
711   coefficient in embedded circle called $\alpha$.\r
712 \end{itemize}\r
713 For more technical details on these applications, interested readers are invited\r
714 to read  the codes  available in  the PETSc sources.   These problems  have been\r
715 chosen because they are scalable with many  cores.\r
716 \r
717 In  the  following,   larger  experiments  are  described  on   two  large  scale\r
718 architectures: Curie  and Juqueen.   Both these architectures  are supercomputers\r
719 respectively  composed  of  80,640  cores   for  Curie  and  458,752  cores  for\r
720 Juqueen. Those  machines are respectively hosted  by GENCI in  France and Jülich\r
721 Supercomputing Center in Germany.  They belong with other similar architectures\r
722 to the  PRACE initiative (Partnership  for Advanced Computing  in Europe), which\r
723 aims  at  proposing  high  performance supercomputing  architecture  to  enhance\r
724 research  in  Europe.  The  Curie  architecture is  composed  of  Intel  E5-2680\r
725 processors  at 2.7  GHz with  2Gb memory  by core.  The Juqueen  architecture,\r
726 for its part, is\r
727 composed by IBM PowerPC  A2 at  1.6 GHz with  1Gb memory  per core.  Both those\r
728 architectures are equipped with a dedicated high speed network.\r
729 \r
730 \r
731 In  many situations, using  preconditioners is  essential in  order to  find the\r
732 solution of a linear system.  There are many preconditioners available in PETSc.\r
733 However, for parallel applications, all  the preconditioners based on matrix factorization\r
734 are  not  available. In  our  experiments, we  have  tested  different kinds  of\r
735 preconditioners, but  as it is  not the subject  of this paper, we  will not\r
736 present results with many preconditioners. In  practice, we have chosen to use a\r
737 multigrid (MG)  and successive  over-relaxation (SOR). For  further details  on the\r
738 preconditioners in PETSc, readers are referred to~\cite{petsc-web-page}.\r
739 \r
740 \r
741 \r
742 \begin{table*}[htbp]\r
743 \begin{center}\r
744 \begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|r|r|r|} \r
745 \hline\r
746 \r
747   nb. cores & precond   & \multicolumn{2}{c|}{FGMRES} & \multicolumn{2}{c|}{TSIRM CGLS} &  \multicolumn{2}{c|}{TSIRM LSQR} & best gain \\ \r
748 \cline{3-8}\r
749              &                       & Time  & \# Iter.  & Time  & \# Iter. & Time  & \# Iter. & \\\hline \hline\r
750   2,048      & MG                    & 403.49   & 18,210    & 73.89  & 3,060   & 77.84  & 3,270  & 5.46 \\\r
751   2,048      & SOR                   & 745.37   & 57,060    & 87.31  & 6,150   & 104.21 & 7,230  & 8.53 \\\r
752   4,096      & MG                    & 562.25   & 25,170    & 97.23  & 3,990   & 89.71  & 3,630  & 6.27 \\\r
753   4,096      & SOR                   & 912.12   & 70,194    & 145.57 & 9,750   & 168.97 & 10,980 & 6.26 \\\r
754   8,192      & MG                    & 917.02   & 40,290    & 148.81 & 5,730   & 143.03 & 5,280  & 6.41 \\\r
755   8,192      & SOR                   & 1,404.53 & 106,530   & 212.55 & 12,990  & 180.97 & 10,470 & 7.76 \\\r
756   16,384     & MG                    & 1,430.56 & 63,930    & 237.17 & 8,310   & 244.26 & 7,950  & 6.03 \\\r
757   16,384     & SOR                   & 2,852.14 & 216,240   & 418.46 & 21,690  & 505.26 & 23,970 & 6.82 \\\r
758 \hline\r
759 \r
760 \end{tabular}\r
761 \caption{Comparison of FGMRES and TSIRM with FGMRES for example ex15 of PETSc/KSP with two preconditioners (MG and SOR) having 25,000 components per core on Juqueen ($\epsilon_{tsirm}=1e-3$, $max\_iter_{kryl}=30$, $s=12$, $max\_iter_{ls}=15$, $\epsilon_{ls}=1e-40$),  time is expressed in seconds.}\r
762 \label{tab:03}\r
763 \end{center}\r
764 \end{table*}\r
765 \r
766 Table~\ref{tab:03} shows  the execution  times and the  number of  iterations of\r
767 example ex15  of PETSc on the  Juqueen architecture. Different  numbers of cores\r
768 are studied  ranging from 2,048 up-to  16,383 with the  two preconditioners {\it\r
769   MG}  and {\it  SOR}.   For those  experiments,  the number  of components  (or\r
770 unknowns  of  the problems)  per  core  is fixed  at  25,000,  also called  weak\r
771 scaling. This number  can seem relatively small. In  fact, for some applications\r
772 that  need a  lot of  memory, the  number of  components per  processor requires\r
773 sometimes to  be small. Other parameters  for this application  are described in\r
774 the legend of this table.\r
775 \r
776 \r
777 \r
778 In  Table~\ref{tab:03},  we  can  notice   that  TSIRM  is  always  faster  than\r
779 FGMRES. The last  column shows the ratio between FGMRES and  the best version of\r
780 TSIRM according  to the minimization  procedure: CGLS or  LSQR. Even if  we have\r
781 computed the worst case between CGLS and  LSQR, it is clear that TSIRM is always\r
782 faster than  FGMRES. For  this example, the  multigrid preconditioner  is faster\r
783 than SOR. The gain between TSIRM and  FGMRES is more or less similar for the two\r
784 preconditioners.  Looking at the number  of iterations to reach the convergence,\r
785 it is  obvious that TSIRM allows the  reduction of the number  of iterations. It\r
786 should be noticed  that for TSIRM, in those experiments,  only the iterations of\r
787 the Krylov solver  are taken into account.  Iterations of CGLS  or LSQR were not\r
788 recorded  but they  are  time-consuming.  In  general, each  $max\_iter_{kryl}*s$\r
789 iterations which corresponds to 30*12, there are $max\_iter_{ls}$ iterations for\r
790 the least-squares method which corresponds to 15.\r
791 \r
792 \begin{figure}[htbp]\r
793 \centering\r
794   \includegraphics[width=0.5\textwidth]{nb_iter_sec_ex15_juqueen}\r
795 \caption{Number of iterations per second with ex15 and the same parameters as in Table~\ref{tab:03} (weak scaling)}\r
796 \label{fig:01}\r
797 \end{figure}\r
798 \r
799 \r
800 In  Figure~\ref{fig:01}, the number  of iterations  per second  corresponding to\r
801 Table~\ref{tab:03}  is  displayed.   It  can  be  noticed  that  the  number  of\r
802 iterations per second of FMGRES is constant whereas it decreases with TSIRM with\r
803 both preconditioners. This can be explained  by the fact that when the number of\r
804 cores increases, the time for the least-squares minimization step also increases\r
805 but, generally, when the number of  cores increases, the number of iterations to\r
806 reach the threshold  also increases, and, in that case,  TSIRM is more efficient\r
807 to reduce  the number of iterations. So,  the overall benefit of  using TSIRM is\r
808 interesting.\r
809 \r
810 \r
811 \r
812 \r
813 \r
814 \r
815 \begin{table*}[htbp]\r
816 \begin{center}\r
817 \begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|r|r|r|} \r
818 \hline\r
819 \r
820   nb. cores & $\epsilon_{tsirm}$  & \multicolumn{2}{c|}{FGMRES} & \multicolumn{2}{c|}{TSIRM CGLS} &  \multicolumn{2}{c|}{TSIRM LSQR} & best gain \\ \r
821 \cline{3-8}\r
822              &                       & Time  & \# Iter.  & Time  & \# Iter. & Time  & \# Iter. & \\\hline \hline\r
823   2,048      & 8e-5                  & 108.88 & 16,560  & 23.06  &  3,630  & 22.79  & 3,630   & 4.77 \\\r
824   2,048      & 6e-5                  & 194.01 & 30,270  & 35.50  &  5,430  & 27.74  & 4,350   & 6.99 \\\r
825   4,096      & 7e-5                  & 160.59 & 22,530  & 35.15  &  5,130  & 29.21  & 4,350   & 5.49 \\\r
826   4,096      & 6e-5                  & 249.27 & 35,520  & 52.13  &  7,950  & 39.24  & 5,790   & 6.35 \\\r
827   8,192      & 6e-5                  & 149.54 & 17,280  & 28.68  &  3,810  & 29.05  & 3,990  & 5.21 \\\r
828   8,192      & 5e-5                  & 785.04 & 109,590 & 76.07  &  10,470  & 69.42 & 9,030  & 11.30 \\\r
829   16,384     & 4e-5                  & 718.61 & 86,400 & 98.98  &  10,830  & 131.86  & 14,790  & 7.26 \\\r
830 \hline\r
831 \r
832 \end{tabular}\r
833 \caption{Comparison of FGMRES  and TSIRM with FGMRES algorithms for ex54 of PETSc/KSP (both with the MG preconditioner) with 25,000 components per core on Curie ($max\_iter_{kryl}=30$, $s=12$, $max\_iter_{ls}=15$, $\epsilon_{ls}=1e-40$),  time is expressed in seconds.}\r
834 \label{tab:04}\r
835 \end{center}\r
836 \end{table*}\r
837 \r
838 \r
839 In  Table~\ref{tab:04},  some  experiments   with  example  ex54  on  the  Curie\r
840 architecture are reported.  For this  application, we fixed $\alpha=0.6$.  As it\r
841 can be seen in that table, the size of the problem has a strong influence on the\r
842 number of iterations to reach the  convergence. That is why we have preferred to\r
843 change the threshold.  If we set  it to $1e-3$ as with the previous application,\r
844 only one iteration is necessary  to reach the convergence. So Table~\ref{tab:04}\r
845 shows the  results of  different executions with  different number of  cores and\r
846 different thresholds. As with the previous example, we can observe that TSIRM is\r
847 faster than  FGMRES. The ratio greatly  depends on the number  of iterations for\r
848 FMGRES to reach the threshold. The greater the number of iterations to reach the\r
849 convergence is, the  better the ratio between our algorithm  and FMGRES is. This\r
850 experiment is  also a  weak scaling with  approximately $25,000$  components per\r
851 core. It can also  be observed that the difference between CGLS  and LSQR is not\r
852 significant. Both can be good but it seems not possible to know in advance which\r
853 one will be the best.\r
854 \r
855 Table~\ref{tab:05} shows  a strong scaling  experiment with example ex54  on the\r
856 Curie  architecture. So,  in  this case,  the  number of  unknowns  is fixed  at\r
857 $204,919,225$ and the number of cores ranges from $512$ to $8192$ with the power\r
858 of two.  The  threshold is fixed at $5e-5$ and only  the $mg$ preconditioner has\r
859 been  tested. Here  again  we can  see that  TSIRM  is faster  than FGMRES.  The\r
860 efficiency of each algorithm is reported.  It can be noticed that the efficiency\r
861 of FGMRES is  better than the TSIRM  one except with $8,192$ cores  and that its\r
862 efficiency is  greater than one  whereas the efficiency  of TSIRM is  lower than\r
863 one.  Nevertheless,  the ratio  of TSIRM with  any version of  the least-squares\r
864 method is  always faster.  With $8,192$  cores when the number  of iterations is\r
865 far  more important  for  FGMRES,  we can  see  that it  is  only slightly  more\r
866 important for TSIRM.\r
867 \r
868 In Figure~\ref{fig:02}  we report  the number of  iterations per second  for the\r
869 experiments  reported in  Table~\ref{tab:05}.  This  figure highlights  that the\r
870 number of iterations  per second is more  or less the same for  FGMRES and TSIRM\r
871 with a little advantage for FGMRES. It  can be explained by the fact that, as we\r
872 have previously  explained, the  iterations of the  least-squares steps  are not\r
873 taken into account with TSIRM.\r
874 \r
875 \begin{table*}[htbp]\r
876 \begin{center}\r
877 \begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|r|r|r|r|r|} \r
878 \hline\r
879 \r
880   nb. cores   & \multicolumn{2}{c|}{FGMRES} & \multicolumn{2}{c|}{TSIRM CGLS} &  \multicolumn{2}{c|}{TSIRM LSQR} & best gain & \multicolumn{3}{c|}{efficiency} \\ \r
881 \cline{2-7} \cline{9-11}\r
882                     & Time  & \# Iter.  & Time  & \# Iter. & Time  & \# Iter. &   & FGMRES & TS CGLS & TS LSQR\\\hline \hline\r
883    512              & 3,969.69 & 33,120 & 709.57 & 5,790  & 622.76 & 5,070  & 6.37  &   1    &    1    &     1     \\\r
884    1024             & 1,530.06  & 25,860 & 290.95 & 4,830  & 307.71 & 5,070 & 5.25  &  1.30  &    1.21  &   1.01     \\\r
885    2048             & 919.62    & 31,470 & 237.52 & 8,040  & 194.22 & 6,510 & 4.73  & 1.08   &    .75   &   .80\\\r
886    4096             & 405.60    & 28,380 & 111.67 & 7,590  & 91.72  & 6,510 & 4.42  & 1.22   &  .79     &   .84 \\\r
887    8192             & 785.04   & 109,590 & 76.07  & 10,470 & 69.42 & 9,030  & 11.30 &   .32  &   .58    &  .56 \\\r
888 \r
889 \hline\r
890 \r
891 \end{tabular}\r
892 \caption{Comparison of FGMRES  and TSIRM for ex54 of PETSc/KSP (both with the MG preconditioner) with 204,919,225 components on Curie with different number of cores ($\epsilon_{tsirm}=5e-5$, $max\_iter_{kryl}=30$, $s=12$, $max\_iter_{ls}=15$, $\epsilon_{ls}=1e-40$),  time is expressed in seconds.}\r
893 \label{tab:05}\r
894 \end{center}\r
895 \end{table*}\r
896 \r
897 \begin{figure}[htbp]\r
898 \centering\r
899   \includegraphics[width=0.5\textwidth]{nb_iter_sec_ex54_curie}\r
900 \caption{Number of iterations per second with ex54 and the same parameters as in Table~\ref{tab:05} (strong scaling)}\r
901 \label{fig:02}\r
902 \end{figure}\r
903 \r
904 \r
905 \begin{figure}[htbp]\r
906 \centering\r
907   \includegraphics[width=0.5\textwidth]{nb_iter_sec_ex45_curie}\r
908 \caption{Number of iterations per second with ex45 and the same parameters as in Table~\ref{tab:06} (weak scaling)}\r
909 \label{fig:03}\r
910 \end{figure}\r
911 \r
912 \r
913 %%NEW\r
914 It  is well-known  that  preconditioners have  a very  strong  influence on  the\r
915 convergence  of  linear  systems.   Previously,  we  have  used  some  classical\r
916 preconditioners provided  by PETSc.  HYPRE~\cite{Falgout06} is  a very efficient\r
917 preconditioner  based  on  structured   multigrid  and  element-based  algebraic\r
918 multigrid algorithms. In Table~\ref{tab:06} we report an experiment that show it\r
919 reduces  drastivally  the  number  of   iterations  but  sometimes  it  is  very\r
920 time-consuming compared  to other simpler  precondititioners. In this  table, we\r
921 can see that  for $512$ and $2,048$ cores, HYPRE  reduces drastically the number\r
922 of  iterations  for FGMRES  to  reach  the  convergence.   However, it  is  very\r
923 time-consuming compared  to TSIRM  and FGMRES with  the ASM  preconditioner. For\r
924 $4,096$ and $8,192$ cores, FGMRES with HYPRE did not converge in less than 1000s\r
925 where FGMRES and  TSIRM with the ASM  converge very quickly. Finally,  it can be\r
926 noticed that TSIRM is also faster than FGMRES and it requires less iterations.\r
927 \r
928 \r
929 \begin{table*}[htbp]\r
930 \begin{center}\r
931 \begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|r|r|} \r
932 \hline\r
933 \r
934   nb. cores   & \multicolumn{2}{c|}{FGMRES/ASM} & \multicolumn{2}{c|}{TSIRM CGLS/ASM} & gain& \multicolumn{2}{c|}{FGMRES/HYPRE}   \\ \r
935 \cline{2-5} \cline{7-8}\r
936                     & Time  & \# Iter.  & Time  & \# Iter. &        & Time  & \# Iter.   \\\hline \hline\r
937    512              & 5.54      & 685    & 2.5 &       570 & 2.21   & 128.9 & 9     \\\r
938    2048             & 14.95     & 1,560  &  4.32 &     746 & 3.48   & 335.7 & 9 \\\r
939    4096             & 25.13    & 2,369   & 5.61 &   859    & 4.48   & >1000  & -- \\\r
940    8192             & 44.35   & 3,197   &  7.6  &  1,083    &  5.84  & >1000 &  --   \\\r
941 \r
942 \hline\r
943 \r
944 \end{tabular}\r
945 \caption{Comparison of FGMRES  and TSIRM for ex45 of PETSc/KSP with two preconditioner (ASM and HYPRE)  having 5,000 components per core on Curie ($\epsilon_{tsirm}=1e-10$, $max\_iter_{kryl}=30$, $s=12$, $max\_iter_{ls}=15$,$\epsilon_{ls}=1e-40$),  time is expressed in seconds.}\r
946 \label{tab:06}\r
947 \end{center}\r
948 \end{table*}\r
949 \r
950 \r
951 \subsection{Parallel nonlinear problems}\r
952 \r
953 With  PETSc,  linear  solvers  are  used inside  nonlinear  solvers.   The  SNES\r
954 (Scalable Nonlinear  Equations Solvers) module  in PETSc implements easy  to use\r
955 methods,  like  Newton-type, quasi-Newton  or  full  approximation scheme  (FAS)\r
956 multigrid to  solve systems of  nonlinears equations.  As  SNES is based  on the\r
957 Krylov methods of PETSc, it is interesting to investigate if the TSIRM method is\r
958 also efficient  and scalable with non  linear problems. In PETSc,  some examples\r
959 are provided.  An important criteria is the scalability of the initial code with\r
960 classical solvers. Consequently, we have chosen  two of these examples: ex14 and\r
961 ex20.  In ex14, the code solves the  Bratu (SFI - solid fuel ignition) nonlinear\r
962 partial  difference equations  in 3  dimension.  In  ex20, the  code solves  a 3\r
963 dimension radiative transport test problem.  For more details on these examples,\r
964 interested readers are invited  to see the code in the  PETSc examples. For both\r
965 these  examples,   a  weak  scaling   case  is  chosen  where   processors  have\r
966 approximately a number of components equals to 100,000.\r
967 \r
968 In Table~\ref{tab:07}  we report the result  of our experiments for  the example\r
969 ex14 with the block Jacobi preconditioner.  For TSIRM the CGLS algorithm is used\r
970 to solve  the minimization step. In  this table, we  can see that the  number of\r
971 iterations used by the linear solver is smaller with TSIRM compared with FGMRES.\r
972 Consequently the execution times are smaller  with TSIRM. The gain between TSIRM\r
973 and FGMRES  is around  6 and  7. The parameters  of TSIRM  are expressed  in the\r
974 caption of the table.\r
975 \r
976 \begin{table*}[htbp]\r
977 \begin{center}\r
978 \begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|} \r
979 \hline\r
980 \r
981   nb. cores   & \multicolumn{2}{c|}{FGMRES/BJAC} & \multicolumn{2}{c|}{TSIRM CGLS/BJAC} & gain  \\ \r
982 \cline{2-5}\r
983                     & Time         & \# Iter.  & Time   & \# Iter. &  \\\hline \hline\r
984    1,024              & 159.52      & 11,584    &  26.34  &     1,563  &  6.06  \\\r
985    2,048             & 226.24       & 16,459    &  37.23 &     2,248   &  6.08\\\r
986    4,096             & 391.21     & 27,794   &  50.93 &   2,911  &  7.69\\\r
987    8,192             & 543.23     & 37,770   &  79.21  &  4,324  & 6.86 \\\r
988 \r
989 \hline\r
990 \r
991 \end{tabular}\r
992 \caption{Comparison of FGMRES  and TSIRM for ex14 of PETSc/SNES with a Block Jacobi  preconditioner  having 100,000 components per core on Curie ($\epsilon_{tsirm}=1e-10$, $max\_iter_{kryl}=30$, $s=12$, $max\_iter_{ls}=15$, $\epsilon_{ls}=1e-40$),  time is expressed in seconds.}\r
993 \label{tab:07}\r
994 \end{center}\r
995 \end{table*}\r
996 \r
997 In Table~\ref{tab:08}, the results of the experiments with the example ex20 are\r
998 reported. The block  Jacobi preconditioner has also been used  and CGLS to solve\r
999 the minimization step for TSIRM. For this example, we can observ that the number\r
1000 of  iterations  for  FMGRES  increase  drastically  when  the  number  of  cores\r
1001 increases. With  TSIRM, we can  see that the  number of iterations  is initially\r
1002 very small compared  to the FGMRES ones  and when the number  of cores increase,\r
1003 the number  of iterations increases slighther  with TSIRM than with  FGMRES. For\r
1004 this example,  the gain  between TSIRM  and FGMRES ranges  between 8  with 1,024\r
1005 cores to more than 16 with 8,192 cores.\r
1006 \r
1007 \begin{table*}[htbp]\r
1008 \begin{center}\r
1009 \begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|} \r
1010 \hline\r
1011 \r
1012   nb. cores   & \multicolumn{2}{c|}{FGMRES/BJAC} & \multicolumn{2}{c|}{TSIRM CGLS/BJAC} & gain   \\ \r
1013 \cline{2-5}\r
1014                     & Time         & \# Iter.  & Time   & \# Iter.  &  \\\hline \hline\r
1015    1,024              & 667.92      & 48,732    & 81.65  &     5,087 &  8.18 \\\r
1016    2,048             & 966.87       & 77,177    &  90.34 &     5,716 &  10.70\\\r
1017    4,096             & 1,742.31     & 124,411   &  119.21 &   6,905  & 14.61\\\r
1018    8,192             & 2,739.21     & 187,626   &  168.9  &  9,000   & 16.22\\\r
1019 \r
1020 \hline\r
1021 \r
1022 \end{tabular}\r
1023 \caption{Comparison of FGMRES  and TSIRM for ex20 of PETSc/SNES with a Block Jacobi  preconditioner  having 100,000 components per core on Curie ($\epsilon_{tsirm}=1e-10$, $max\_iter_{kryl}=30$, $s=12$, $max\_iter_{ls}=15$, $\epsilon_{ls}=1e-40$),  time is expressed in seconds.}\r
1024 \label{tab:08}\r
1025 \end{center}\r
1026 \end{table*}\r
1027 \r
1028 \r
1029 \r
1030 \r
1031 \r
1032 \r
1033 \r
1034 %%NEW\r
1035 \subsection{Influence of parameters for TSIRM}\r
1036 In this section we present some experimental results in order to study the influence of some parameters on the TSIRM algorithm. We conducted experiments on $16$ cores to solve 3D problems of size $200,000$ components per core. We solved nonlinear problems token from examples of PETSc. We fixed some parameters of the TSIRM algorithm as follows: the nonlinear systems are solved with a precision of $10^{-8}$, block Jacobi preconditioner is used, the tolerance threshold $\epsilon_{tsirm}$ is $10^{-8}$ , the maximum number of iterations $max\_iter_{tsirm}$ is set to $10,000$ iterations, the FGMRES method is used as the inner solver with a tolerance threshold $\epsilon_{kryl}=10^{-10}$ and the least-squares problem is solved with a precision $\epsilon_{ls}=10^{-40}$ in the minimization process.\r
1037 \r
1038 %time mpirun ../ex48 -da_grid_x 147 -da_grid_y 147 -da_grid_z 147 -snes_rtol 1.e-8 -snes_monitor -ksp_type tsirm -ksp_pc_type bjacobi -pc_type ksp -ksp_tsirm_tol 1e-8 -ksp_tsirm_maxiter 10000 -ksp_ksp_type fgmres -ksp_tsirm_max_inner_iter 30 -ksp_tsirm_inner_restarts 30 -ksp_tsirm_inner_tol 1e-10 -ksp_tsirm_cgls 0 -ksp_tsirm_tol_ls 1.e-40 -ksp_tsirm_maxiter_ls 15 -ksp_tsirm_size_ls 10 \r
1039 \begin{figure}[htbp]\r
1040 \centering\r
1041   \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{ksp_tsirm_cgls_iter_total}\r
1042 \caption{Number of total iterations using two different methods for the minimization: LSQR and CGLS.}\r
1043 \label{fig:cgls-iter} \r
1044 \end{figure}\r
1045 \r
1046 \begin{figure}[htbp]\r
1047 \centering\r
1048   \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{ksp_tsirm_cgls_time}\r
1049 \caption{Execution time in seconds using two different methods for the minimization: LSQR and CGLS.}\r
1050 \label{fig:cgls-time} \r
1051 \end{figure}\r
1052 \r
1053 %time mpirun ../ex35 -da_grid_x 147 -da_grid_y 147 -da_grid_z 147 -snes_rtol 1.e-8 -snes_monitor -ksp_type tsirm -ksp_pc_type bjacobi -pc_type ksp -ksp_tsirm_tol 1e-8 -ksp_tsirm_maxiter 10000 -ksp_ksp_type fgmres -ksp_tsirm_max_inner_iter 30 -ksp_tsirm_inner_restarts 38 -ksp_tsirm_inner_tol 1e-10 -ksp_tsirm_cgls 0 -ksp_tsirm_tol_ls 1.e-40 -ksp_tsirm_maxiter_ls 15 -ksp_tsirm_size_ls 10\r
1054 \begin{figure}[htbp]\r
1055 \centering\r
1056   \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{ksp_tsirm_inner_restarts_iter_total}\r
1057 \caption{Number of total iterations with variation of restarts in the inner solver FGMRES.}\r
1058 \label{fig:inner_restarts_iter_total} \r
1059 \end{figure}\r
1060 \r
1061 \begin{figure}[htbp]\r
1062 \centering\r
1063   \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{ksp_tsirm_inner_restarts_time}\r
1064 \caption{Execution time in seconds with variation of restarts in the inner solver FGMRES.}\r
1065 \label{fig:inner_restarts_time} \r
1066 \end{figure}\r
1067 \r
1068 %time mpirun ../ex14 -da_grid_x 147 -da_grid_y 147 -da_grid_z 147 -snes_rtol 1.e-8 -snes_monitor -ksp_type tsirm -ksp_pc_type bjacobi -pc_type ksp -ksp_tsirm_tol 1e-8 -ksp_tsirm_maxiter 10000 -ksp_ksp_type fgmres -ksp_tsirm_max_inner_iter 1000 -ksp_tsirm_inner_restarts 30 -ksp_tsirm_inner_tol 1e-10 -ksp_tsirm_cgls 0 -ksp_tsirm_tol_ls 1.e-40 -ksp_tsirm_maxiter_ls 15 -ksp_tsirm_size_ls 10\r
1069 \begin{figure}[htbp]\r
1070 \centering\r
1071   \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{ksp_tsirm_max_inner_iter}\r
1072 \caption{Number of total iterations with variation of number of inner iterations.}\r
1073 \label{fig:max_inner_iter} \r
1074 \end{figure}\r
1075 \r
1076 \begin{figure}[htbp]\r
1077 \centering\r
1078   \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{ksp_tsirm_max_inner_time}\r
1079 \caption{Execution time in seconds with variation of number of inner iterations.}\r
1080 \label{fig:max_inner_time} \r
1081 \end{figure}\r
1082 \r
1083 %time mpirun ../ex14 -da_grid_x 147 -da_grid_y 147 -da_grid_z 147 -snes_rtol 1.e-8 -snes_monitor -ksp_type tsirm -ksp_pc_type bjacobi -pc_type ksp -ksp_tsirm_tol 1e-8 -ksp_tsirm_maxiter 10000 -ksp_ksp_type fgmres -ksp_tsirm_max_inner_iter 30 -ksp_tsirm_inner_restarts 30 -ksp_tsirm_inner_tol 1e-10 -ksp_tsirm_cgls 0 -ksp_tsirm_tol_ls 1.e-40 -ksp_tsirm_maxiter_ls 5 -ksp_tsirm_size_ls 10\r
1084 \begin{figure}[htbp]\r
1085 \centering\r
1086   \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{ksp_tsirm_maxiter_ls_iter}\r
1087 \caption{Number of total iterations with variation of number of iterations in the minimization process.}\r
1088 \label{fig:maxiter_ls_iter} \r
1089 \end{figure}\r
1090 \r
1091 \begin{figure}[htbp]\r
1092 \centering\r
1093   \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{ksp_tsirm_maxiter_ls_time}\r
1094 \caption{Execution time in seconds with variation of number of iterations in the minimization process.}\r
1095 \label{fig:maxiter_ls_time} \r
1096 \end{figure}\r
1097 \r
1098 %time mpirun ../ex14 -da_grid_x 147 -da_grid_y 147 -da_grid_z 147 -snes_rtol 1.e-8 -snes_monitor -ksp_type tsirm -ksp_pc_type bjacobi -pc_type ksp -ksp_tsirm_tol 1e-8 -ksp_tsirm_maxiter 10000 -ksp_ksp_type fgmres -ksp_tsirm_max_inner_iter 30 -ksp_tsirm_inner_restarts 30 -ksp_tsirm_inner_tol 1e-10 -ksp_tsirm_cgls 0 -ksp_tsirm_tol_ls 1.e-40 -ksp_tsirm_maxiter_ls 15 -ksp_tsirm_size_ls 2\r
1099 \begin{figure}[htbp]\r
1100 \centering\r
1101   \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{ksp_tsirm_size_ls_iter}\r
1102 \caption{Number of total iterations with variation of the size of the least-squares problem in the minimization process.}\r
1103 \label{fig:size_ls_iter} \r
1104 \end{figure}\r
1105 \r
1106 \begin{figure}[htbp]\r
1107 \centering\r
1108   \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{ksp_tsirm_size_ls_time}\r
1109 \caption{Execution time in seconds with variation of the size of the least-squares problem in the minimization process.}\r
1110 \label{fig:size_ls_time} \r
1111 \end{figure}\r
1112 \r
1113 %%ENDNEW\r
1114 \r
1115 \r
1116 \r
1117 \r
1118 \r
1119 \subsection{Experiments conclusions }\r
1120 \r
1121 {\bf A refaire}\r
1122 \r
1123 Concerning the  experiments some  other remarks are  interesting.\r
1124 \begin{itemize}\r
1125 \item We have tested other examples  of PETSc/KSP (ex29, ex45, ex49).  For all these\r
1126   examples,  we have also  obtained similar  gains between  GMRES and  TSIRM but\r
1127   those  examples are  not scalable  with many  cores. In  general, we  had some\r
1128   problems with more than $4,096$ cores.\r
1129 \item We have tested many iterative  solvers available in PETSc.  In fact, it is\r
1130   possible to use most of them with TSIRM. From our point of view, the condition\r
1131   to  use  a  solver inside  TSIRM  is  that  the  solver  must have  a  restart\r
1132   feature. More precisely,  the solver must support to  be stopped and restarted\r
1133   without decreasing its convergence. That is  why with GMRES we stop it when it\r
1134   is  naturally restarted (\emph{i.e.}   with $m$  the restart  parameter).  The\r
1135   Conjugate Gradient (CG) and all its variants do not have ``restarted'' version\r
1136   in PETSc,  so they are not efficient.   They will converge with  TSIRM but not\r
1137   quickly because  if we  compare a  normal CG with  a CG  which is  stopped and\r
1138   restarted every  16 iterations (for example),  the normal CG will  be far more\r
1139   efficient.   Some  restarted  CG or  CG  variant  versions  exist and  may  be\r
1140   interesting to study in future works.\r
1141 \end{itemize}\r
1142 \r
1143 %%ENDNEW\r
1144 \r
1145 \r
1146 %%%*********************************************************\r
1147 %%%*********************************************************\r
1148 \section{Conclusion}\r
1149 \label{sec:06}\r
1150 %The conclusion goes here. this is more of the conclusion\r
1151 %%%*********************************************************\r
1152 %%%*********************************************************\r
1153 \r
1154 %%NEW\r
1155 In this paper a new two-stage algorithm TSIRM has been described. This method allows us to improve the convergence of  Krylov iterative  methods. It is based\r
1156 on a least-squares minimization step which uses the  Krylov residuals.\r
1157 \r
1158 \r
1159 We have implemented our code in PETSc in order to show that it is efficient and scalable. Some experiments with classical examples of PETSc for linear and nonlinear problems have been performed. We observed that TSIRM outperforms GMRES variants when the number of iterations is large. TSIRM is also scalable since we made some experiments with up to 16,394 cores.\r
1160 \r
1161 We also observed that TSIRM is efficient with different preconditioners. The hypre preconditioner that is globally very efficient for many problems is also very time consuming. Consequently, sometimes using a less performent preconditioners may be a better solution. In that case, TSIRM is also more efficient than traditional Krylov methods.\r
1162 \r
1163 {\bf A CHECKER !!}\r
1164 The influence of some important parameters of TSIRM have been studied. It can be noticed that they have a strong influence on the convergence speed\r
1165 \r
1166 In future works, we plan to study other problems coming from different research areas. Other efficient Krylov optimisation methods as communication avoiding technique may be interesting to be investigated\r
1167 %%ENDNEW\r
1168 \r
1169 \r
1170 \r
1171 % use section* for acknowledgement\r
1172 %%%*********************************************************\r
1173 %%%*********************************************************\r
1174 \section*{Acknowledgment}\r
1175 This  paper  is   partially  funded  by  the  Labex   ACTION  program  (contract\r
1176 ANR-11-LABX-01-01).  We  acknowledge PRACE for  awarding us access  to resources\r
1177 Curie and Juqueen respectively based in France and Germany.\r
1178 \r
1179 \r
1180 \r
1181 \r
1182 \r
1183 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%\r
1184 \r
1185 \bibliography{biblio}\r
1186 \bibliographystyle{plain}\r
1187 %\bibliographystyle{alpha}\r
1188 \r
1189 \end{document}\r